EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

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GUIA Nro. 8

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

1. COMPETENCIA ESPECIFICA

Evalúa mediante simulación virtual el experimento de Joule para determinar el calor especifico del agua teniendo en consideración el concepto de equivalente mecánico de calor.

1. INFORMACIÓN TEÓRICA

Mediante la siguiente experimentación virtual, se pretende demostrar que se necesita una gran cantidad de energía para transformar en calor y así poder elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

El experimento consta de un recipiente aislado térmicamente que contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, y un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa colgante, tal como se muestra en la Figura 1.

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Figura 1: representación del experimento de Joule

La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial y como consecuencia, el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.

Si el bloque de masa 𝑀 desciende una altura ℎ, la energía potencial disminuye en 𝑀𝑔ℎ, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).

Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4,186 J/(g ºC) (que es más alto que el de cualquier otra sustancia común, por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la regulación de la temperatura). Por tanto, 4,186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C.

Se define la caloría como 4,186 J (1 cal = 4,186 J) sin referencia a la sustancia que se está calentando.

En la presente simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas.

La conversión de energía mecánica en calor se puede expresar mediante la siguiente ecuación.

𝑀 𝑔 ℎ = 𝑚 𝐶𝑒 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜)        (1)

Donde:

𝑀: masa del bloque que cuelga de la polea

𝑔: aceleración de la gravedad

ℎ: altura de desplazamiento vertical de la masa colgante

𝑚: masa de agua en el calorímetro

𝐶𝑒: calor especifico

𝑇𝑓: temperatura final

𝑇𝑜: temperatura inicial

De la ecuación (1) se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K)

𝐶𝑒 =        𝑀 𝑔 ℎ[pic 4]

𝑚 (𝑇𝑓−𝑇𝑜)

(2)

Como el calor especifico del agua es por definición c = 1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.

1. MATERIALES Y ESQUEMA

• Uso de PC o Laptop
• Acceso con conexión a internet

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Figura 2. Esquema representativo del sistema para la experimentación

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

1. CUESTIONARIO PREVIO

1. ¿La temperatura es una medida de la energía cinética total de una sustancia? Justifique su respuesta.

Si, ya que como sabemos la temperatura es una magnitud directamente proporcional a la energía cinética promedio que tienen las partículas. Esto quiere decir que la temperatura es una forma de medir el movimiento de las moléculas.

1. ¿Qué ocurre con el trabajo realizado sobre una jarra de jugo de naranja cuando se agita vigorosamente? Justifique su respuesta.

Según la ley de la conservación de la energía esta siempre se transforma, entonces lo que pasa cuando agitamos un jugo de naranja es que las moléculas que contiene se empiezan a mover por todos lados, lo cual genera un cambio en la temperatura ya que aumenta la entropía, hecho que finalmente hará que la temperatura aumente y el jugo este mas caliente.

1. ¿Cuál es la diferencia entre temperatura, calor y energía interna? Justifique su respuesta.

• Calor: es la energía térmica que se transfiere debido a una diferencia de temperatura.
• Temperatura: es la energía cinética promedio de las partículas.
• Energía interna: es la energía almacenada en un sistema, se obtiene como la suma de la e. cinética y la e. potencial.

1. Enuncie y explique el experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.

Es un experimento en el cual se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría. El objetivo de ese trabajo fue probar y medir la gran cantidad de energía necesaria para transformar en calor y elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua

1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Ingrese al siguiente link. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/joule/joule.html
2. Tenga en cuenta que:

• 𝐶𝑒𝐻2𝑜= 4186 J/(kg K).
• el desplazamiento vertical de la masa colgante es ℎ = 100.1 𝑐𝑚
• la gravedad en el siguiente experimento es 𝑔 = 9.8 m/s2
• la temperatura inicial es 𝑇𝑜 = 20 C

1. Según le indique su profesor anote el valor de la masa de agua 𝑚 = 100 ( g ); la cual se mantendrá constante para la obtención de los datos de la tabla 1.

Para obtener la Lectura 1, en la Tabla 1 anote la masa 𝑀 que le indique su profesor, después haga click en la pestaña “Nuevo” y luego presione play. Ahora espere a que la masa colgante 𝑀 se desplace ℎ. Cuando la masa 𝑀 se detenga usted deberá de anotar en la Tabla 1, la temperatura final 𝑇𝑓 que marca el termómetro inmerso en el calorímetro. Para cada masa M, Repita el procedimiento anterior y completa la Tabla 1.

Tabla 1: temperatura final (𝑇𝑓) para diferentes masas (𝑀) colgantes

1. Según le indique su profesor anote el valor de la masa colgante 𝑀 = …60…… (kg); la cual se mantendrá constante para la obtención de los datos de la Tabla 2.

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